Duplication and sub‐functionalization of flavonoid biosynthesis genes plays important role in Leguminosae root nodule symbiosis evolution

基因复制 生物 基因 查尔酮合酶 功能分歧 串联外显子复制 基因家族 亚功能化 遗传学 截形苜蓿 基因组 内含子 协同进化 新功能化 共生 生物合成 细菌
作者
T.Q. Liu,Haiyue Liu,Wenfei Xian,Zhi Xin Liu,Yaqin Yuan,J. H. Fan,Shuaiying Xiang,Xia Yang,Yucheng Liu,Shulin Liu,Min Zhang,Yanting Shen,Yuannian Jiao,Shifeng Cheng,Jeff J. Doyle,Fang Xie,Jiayang Li,Zhixi Tian
出处
期刊:Journal of Integrative Plant Biology [Wiley]
被引量:2
标识
DOI:10.1111/jipb.13743
摘要

ABSTRACT Gene innovation plays an essential role in trait evolution. Rhizobial symbioses, the most important N 2 ‐fixing agent in agricultural systems that exists mainly in Leguminosae, is one of the most attractive evolution events. However, the gene innovations underlying Leguminosae root nodule symbiosis (RNS) remain largely unknown. Here, we investigated the gene gain event in Leguminosae RNS evolution through comprehensive phylogenomic analyses. We revealed that Leguminosae‐gain genes were acquired by gene duplication and underwent a strong purifying selection. Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes analyses showed that the innovated genes were enriched in flavonoid biosynthesis pathways, particular downstream of chalcone synthase (CHS). Among them, Leguminosae‐gain type Ⅱ chalcone isomerase (CHI) could be further divided into CHI1A and CHI1B clades, which resulted from the products of tandem duplication. Furthermore, the duplicated CHI genes exhibited exon–intron structural divergences evolved through exon/intron gain/loss and insertion/deletion. Knocking down CHI1B significantly reduced nodulation in Glycine max (soybean) and Medicago truncatula ; whereas, knocking down its duplication gene CHI1A had no effect on nodulation. Therefore, Leguminosae‐gain type Ⅱ CHI participated in RNS and the duplicated CHI1A and CHI1B genes exhibited RNS functional divergence. This study provides functional insights into Leguminosae‐gain genetic innovation and sub‐functionalization after gene duplication that contribute to the evolution and adaptation of RNS in Leguminosae.
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